一種硬脆材料多線切方機用雙電機力矩同步控制系統的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種硬脆材料多線切方機用雙電機力矩同步控制系統，包括運動控制器，所述運動控制器通過總線控制多個伺服驅動器和電機；所述多個電機中包括兩個主軸電機，兩個主軸電機采用力矩模式進行控制；所述運動控制器通過現場總線實時獲取力矩控制數據，并根據獲取的力矩控制數據實現對兩個主軸電機的控制。本發(fā)明能夠提高雙電機的同步性，解決了兩個主輥電機的同步延時和震蕩問題，同時節(jié)省了傳輸皮帶，降低系統噪聲。
【專利說明】
一種硬脆材料多線切方機用雙電機力矩同步控制系統
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及電機控制技術領域，特別是涉及一種硬脆材料多線切方機用雙電機力矩同步控制系統。
【背景技術】
[0002]藍寶石作為一種重要的技術晶體，可廣泛應用在軍事、航空、電子消費產品等領域。藍寶石應用具有廣闊的前景，尤其是在電子消費和LED基礎應用領域。
[0003]由于藍寶石、碳化硅的莫氏硬度大于等于9，僅次于金剛石的硬度，是典型的硬脆材料，切割起來非常困難，為了解決這個切割難題，早期采用內圓外圓或者多刀的形式進行切割，但是其效率低且損耗大。后期，無論是切單(多)晶硅，還是切水晶的多線切割機都采用平面升降切割的方式，金屬線和待切工件都是線接觸，這會導致藍寶石切割效率低下，甚至不能完成切割。本發(fā)明中涉及的多線切割機系統控制了一臺搖擺電機帶動搖擺連桿機構，帶動工作臺做正負10度的搖擺，多線切割時，切割線和工件的接觸面積小，切削負載小，可以用來切割更大幅度的工件。
[0004]目前的藍寶石多線切割機，主軸部分都是采用一個電機帶動兩個主輥進行切割，兩個主輥之間采用皮帶進行傳動。這樣，機械噪音很大，同時皮帶損耗很大，系統維護困難。
[0005]市場上后來出現了兩個電機分別帶動兩個主輥的結構，但是兩個電機的同步控制困難，采用一個速度一個轉矩的控制模式。在使用一個伺服驅動器帶動一個電機做速度控制，另外一個伺服驅動器采用力矩控制時，其中速度控制的電機保證系統所要求的速度，力矩控制的電機輸出一定的力矩來分擔負載。這種模式的缺點是系統的穩(wěn)定性不好，很容易發(fā)生震蕩。在速度進行正反向切換的時候，力矩控制的電機如果控制不好，就成為了速度控制電機的負載，系統就會震蕩，切割線很容易折斷，因此需要更好的方法和系統來解決同步問題，此外，控制系統的信號采用脈沖和模擬量方式，其干擾一直是一個很難解決的問題，導致控制效果較差。
[0006]現有技術CN 102904496 A公開了一種雙電機同步控制系統，包括:兩個電機串級控制部以及一同步控制器。其中，電機串級控制部，用于設定電機的參數信息以及控制模式，并根據參數信息以及控制模式驅動電機運轉，根據控制模式輸出電機的實際轉速或者實際位置，同步控制器，用于接收電機的實際轉速或者實際位置，并根據設定轉速或設定位置對電機的運動進行補償，其采用的是兩個速度控制模式，雖然通過對電機的運動進行補償來提高兩個電機的同步性，但是其仍然存在控制滯后的問題。

【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種硬脆材料多線切方機用雙電機力矩同步控制系統，提高雙電機的同步性，解決了兩個主輥電機的同步延時和震蕩問題。
[0008]本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是:提供一種硬脆材料多線切方機用雙電機力矩同步控制系統，包括運動控制器，所述運動控制器通過總線控制多個伺服驅動器和電機;所述多個電機中包括兩個主軸電機，兩個主軸電機采用力矩模式進行控制;所述運動控制器包括力矩接收單元和主軸控制單元，所述力矩接收單元通過現場總線實時獲取力矩控制數據，所述主軸控制單元根據獲取的力矩控制數據實現對兩個主軸電機的控制。
[0009]所述運動控制器包括兩個以太網口，其中一個以太網口通過Ethercat協議連接多個伺服驅動器和電機，另一個以太網口通過Modbus TCP協議連接人機界面。
[0010]所述運動控制器還包括速度接收單元和速度控制單元，所述速度接收單元用于接收來自兩個主軸電機編碼器反饋的速度信號;所述速度控制單元根據收到的速度信號完成對兩個主軸電機的速度閉環(huán)控制，使得兩個主軸電機的線速度與切割線設定的線速度保持一 Sc ο
[0011]所述主軸電機的編碼器采用正余弦編碼器。
[0012 ]所述多個電機中還包括張力電機、收卷電機和放卷電機，所述運動控制器還包括轉速接收單元、位置接收單元和收放卷控制單元，所述轉速接收單元用于接收主軸電機的轉速;所述位置接收單元用于接收張力電機編碼器的反饋信號;所述收放卷控制單元根據收到的主軸電機的轉速和張力電機編碼器的反饋信號完成對收卷電機和放卷電機的控制。
[0013]所述多個電機中還包括收排電機和放排電機，所述運動控制器還包括排線速度接收單元、換向判斷單元、邊界判斷單元和收放排控制單元;所述排線速度接收單元用于接收收排電機和放排電機的線速度;所述換向判斷單元用于判斷接收到的線速度是否小于換向預設值;所述邊界判斷單元用于判斷接收到的線速度是否為邊界閾值;所述收放排控制單元在接收到的線速度小于換向預設值時控制收排電機和放排電機先加速再減速，在接收到的線速度為邊界閾值時控制收排電機和放排電機先加速再減速。
[0014]所述伺服驅動器和電機采用一體式結構。
[0015]所述運動控制器通過差分方式進行數據傳輸。
[0016]所述伺服驅動器預留直流母線供電接口，且與整流逆變單元相連。
[0017]所述運動控制器集成第三方工具和路由器功能，通過運動控制器能夠直接調試連接在運動控制器上的伺服驅動器的參數。
[0018]有益效果
[0019]由于采用了上述的技術方案，本發(fā)明與現有技術相比，具有以下的優(yōu)點和積極效果:
[0020]1.本發(fā)明通過兩主軸力矩同步控制雙電機使得同步性更好，解決了兩個主輥電機的同步延時和震蕩問題，另外采用兩個主軸同步取消傳動皮帶，避免了傳動皮帶的磨損和維護問題。
[0021]2.本發(fā)明采用的運動控制器采樣周期達到1KHZ，把伺服電機控制的慣量補償完全放在了上位控制器中，而不是放在伺服驅動器內部，可以根據加速度，負載慣量，摩擦力的變化靈活的進行補償，以達到良好的同步效果。
[0022]3.電機的控制采用總線通訊的方式，突破了傳統脈沖方式的最高脈沖頻率對最高速度和最大精度的限制，在保證高精度的情況度下實現高速度，控制器與電機之間使用EtherCAT進行通訊，其布線更方便，維護成本更低，傳輸速度更快，一個控制周期控制在2ms以內，精度更高。控制系統可以輕松讀取伺服驅動器中的所有參數，更加方便進行各種控制操作。
[0023]4.張力電機的收放臂位置反饋采用系統自帶的電機編碼器，實時測量高度擺桿位置，系統對高度進行處理，使得整個控制過程更為方便，響應速度更快，性價比更高。
[0024]5.運動控制器集成驅動器第三方工具，通過控制器能夠直接調試連接在控制器上的伺服驅動器的參數，無需來回去切換驅動器的通訊線，即可實現驅動器參數的調整;控制器也可做為連接到驅動器的路由，可以不用接任何的調試線，用驅動器自帶的軟件進行調試，這種方式可以減少調試難度。
[0025]6.驅動器電機一體化電機系統采用共直流母線技術和驅動器電機一體化技術，節(jié)省了電機和驅動器之間的連線，使整個系統更節(jié)能，布線更省，降低了干擾。
[0026]7.遠程1采用總線方式進行擴展，也可以大大減少線纜的長度。
【附圖說明】
[0027]圖1是本發(fā)明的整體框圖；
[0028]圖2是本發(fā)明中切割機系統示意圖；
[0029]圖3是本發(fā)明中運動控制器的結構框圖；
[0030]圖4是本發(fā)明中收排線速度控制流程圖。
【具體實施方式】
[0031]下面結合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。應理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內容之后，本領域技術人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。
[0032]本發(fā)明的實施方式涉及一種硬脆材料多線切方機用雙電機力矩同步控制系統，包括運動控制器，所述運動控制器通過總線控制多個伺服驅動器和電機;所述多個電機中包括兩個主軸電機，兩個主軸電機采用力矩模式進行同步控制;所述運動控制器通過現場總線實時獲取力矩控制數據，并根據獲取的力矩控制數據實現對兩個主軸電機的控制。
[0033]如圖1所示，采用運動控制器通過Ehtercat總線來控制多個伺服驅動器和電機，其中，包括兩個主軸電機、搖擺電機、工作臺電機、放卷電機、收卷電機、兩個張力電機、放排電機和收排電機。兩個主軸電機采用力矩模式進行控制，運動控制器通過現場總線實時獲取力矩控制數據，并根據得到的數據控制主軸電機運動，同時人機界面進行數據的設定和監(jiān)控，并可以通過人機界面進行系統的遠程診斷和控制。
[0034]圖1中，運動控制器的控制軸數會根據系統要求不同而有些變化。在沒有搖擺藍寶石多線切方機控制系統時，運動控制器控制9個軸;在有搖擺藍寶石多線切方機控制系統，運動控制器控制10個軸。藍寶石多線切方機控制系統所采用的觸摸屏根據設備需要，該觸摸屏的大小可以是15寸，也可以是12寸或者10寸的。
[0035]系統中采用的運動控制器是Robox的URMC2，該控制器本身集成有兩個以太網口，兩個以太網口都可以支持標準的Ethercat協議和Modbus TCP協議，其中一個以太網口用來連接10個伺服驅動器和電機，并走Ethercat協議；另一個以太網口用來連接人機界面，走Modbus TCP協議。該控制器集成8路開關量輸入，8路開關量輸出，都是PNP類型。該控制器具有128K斷電保持存儲區(qū)，不通過特殊處理就可以安全保存參數。該控制器采用飛思卡爾Power PC MPC5200控制器，I.2G雙核，外形尺寸:230x77x85mm，64Mbyte DRAM，128KbyteCMOS，可以水平和垂直安裝。該系統采用的人機界面是Robox的RHMI15，15寸，65536色的TFT
真彩液晶屏，鋁合金外殼。
[0036]除上述控制器外，系統還可以采用其他廠家的控制器，可以實現同樣的功能，如倍福的CP6522。該控制器主板集成4個RS422串口，I個RS232串口，8個USB2.0，不間斷電源UPS，帶10/100BASE-T接口的雙以太網適配器。該控制器前面板是15英寸顯示器，分辯率為1024*1024。該控制器帶數字鍵盤和PLC專用功能鍵盤。該控制器采用Intel Core 2.0GHz處理器，521MB DDR2RAM內存(可擴展2GB)和 160GB SATA硬盤。
[0037]切割機系統如圖2所示，該系統采用的伺服驅動器:主軸電機I，副主軸電機2、收卷電機3和放卷電機4，兩個張力電機7和8，收排電機5、放排電機6、工作臺電機9和搖擺電機10。
[0038]如圖3所示，所述運動控制器包括力矩接收單元和主軸控制單元，所述力矩接收單元通過現場總線實時獲取力矩控制數據，所述主軸控制單元根據獲取的力矩控制數據實現對兩個主軸電機的同步控制。所述運動控制器還包括速度接收單元和速度控制單元，所述速度接收單元用于接收來自兩個主軸電機編碼器反饋的速度信號;所述速度控制單元根據收到的速度信號完成對兩個主軸電機的速度閉環(huán)控制，使得兩個主軸電機的線速度與切割線設定的線速度保持一致，從而使得線速度的穩(wěn)定波動變小提高切割材料表面粗糙度，同時可以防止斷線。
[0039]本實施方式中兩個主軸電機都采用轉矩控制，避免了兩個電機互相為負載發(fā)生震蕩的情況。兩個伺服驅動器分別采用力矩模式帶動一個電機，兩個電機的速度閉環(huán)在運動控制器中完成。因為運動控制器同時發(fā)送兩個電機的電流出來，電流方向時刻保持一致，不會有震蕩的情況發(fā)生。
[0040]所述運動控制器還包括轉速接收單元、位置接收單元和收放卷控制單元，所述轉速接收單元用于接收主軸電機的轉速;所述位置接收單元用于接收張力電機編碼器的反饋信號，得到張力擺桿的位置;所述收放卷控制單元根據收到的主軸電機的轉速和張力擺桿的位置完成對收卷電機和放卷電機的控制，從而對收放線卷電機進行位置調控。
[0041 ]本發(fā)明中采用的兩個張力電機、額定轉速只有600轉每分鐘，電機的轉矩常數達到了 7.13N/A，額定電流只有5.94A，收卷額定功率2.66KW。而市場主流張力電機都是采用2000轉每分鐘，額定電流15A以上，額定功率5KW以上，相配套的伺服驅動器功率是本系統中電機功率的3倍以上。采用本系統中的張力電機，可以節(jié)約能量，減小張力伺服驅動器的功率和體積。系統中采用的張力電機，電機自帶的編碼器是旋轉變壓器，可以記憶一圈的位置。因為張力電機所拖動的張力擺桿，運動范圍是正負25度，在一圈之內，所以旋轉變壓器的性價比非常高，斷電后可以記憶位置，同時抗干擾能力強，成本很低，同時又是張力擺桿的位置反饋裝置，反饋位置信號給收放線卷電機，進行位置調。
[0042]所述運動控制器還包括排線速度接收單元、換向判斷單元、邊界判斷單元和收放排控制單元;所述排線速度接收單元用于接收收排電機和放排電機的線速度;所述換向判斷單元用于判斷接收到的線速度是否小于換向預設值;所述邊界判斷單元用于判斷接收到的線速度是否為邊界閾值;所述收放排控制單元在接收到的線速度小于換向預設值時控制收排電機和放排電機先加速再減速，在接收到的線速度為邊界閾值時控制收排電機和放排電機先加速再減速。
[0043]本系統中的收放排電機需要在高速換向時保證系統排線不會超出設定范圍，但是高速換向對機械有很大的沖擊，低速換向又會嚴重超調。系統采用了高速動態(tài)跟隨功能，提前采用一個很大的減速度進行減速，然后用一個很大的加速度進行加速，達到很小的跟隨誤差的目的，具體步驟如圖4所示。
[0044]由此可見，本發(fā)明在進行系統控制時，兩個主軸電機的伺服驅動器采用轉矩控制模式，在運動控制器中完成兩個主軸電機的速度閉環(huán)控制，運動控制器的速度反饋信號來源于兩個主軸電機的編碼器，為了提高檢測到精度，兩個主軸電機采用正余弦編碼器。運動控制器還控制收卷電機和放卷電機，其信號參考來源于主軸電機的轉速，位置參考來源于張力電機的編碼器。兩個張力電機采用額定轉速600RPM的產品，額定轉速設計低，電機的扭矩常數大，額定電流就很小，系統節(jié)能明顯。其中，所有伺服驅動器預留了直流母線供電接口。另外，伺服驅動器自帶10，用于連接傳感器信號，通過ETHERCAT總線傳輸給運動控制器。
[0045]另外，本發(fā)明中運動控制器的數據傳輸方式可以采用差分方式進行，例如可以采用雙絞線作為傳輸介質，發(fā)送端的兩路信號必須分別使用一對雙絞線進行信號傳輸，發(fā)送端的兩路信號傳輸幅值相等相位相反的信號，運動控制器的接收單元對接收的兩路信號做減法運算，這樣就獲得幅值翻倍的信號，如果兩路信號都受到了同樣的干擾信號，由于接收單元對兩路信號做減法運算，因此干擾信號被基本抵消，從而使得整個系統的抗干擾能力得到加強。
[0046]伺服驅動器預留了直流母線供電接口，所有的驅動器不需要單獨采用380V電源供電，所有驅動器的能量可以共享，在有的驅動器減速的時候，會發(fā)電產生能量，這個能量可以用來給加速或者勻速的驅動器使用，達到節(jié)能的目的。另外，所有的伺服驅動器可以連接到一個整流逆變單元，把整臺設備制動時發(fā)生的能量反饋到電網。由于這臺設備是頻繁正反轉的，有高達20KW的制動電阻用于消耗能量，采用逆變電源回饋電網后，可以節(jié)約20%以上的能量。
[0047]以藍寶石為例，在進行多線切割時，包括以下步驟:(I)系統啟動，初始化參數，包括主軸帶動的主輥直徑和慣量；(2)系統回零操作，收放排電機，張力電機，工作臺和搖擺電機要進行回零操作；(3)檢查10個電機的運行方向，是否與實際需要相符合，如果不符，改變方向；(4)閉環(huán)系統的PID參數優(yōu)化;(5)安全性保護，設置相應的上下限及報警提示。
[0048]不難發(fā)現，本發(fā)明通過兩主軸力矩同步控制雙電機使得同步性更好，解決了兩個主輥電機的同步延時和震蕩問題，另外采用兩個主軸同步取消傳動皮帶，避免了傳動皮帶的磨損和維護問題。本發(fā)明采用差分方式進行數據傳輸使得抗干擾能力得到加強，而脈沖和模擬量方式的干擾一直是一個很難解決的問題。本發(fā)明采用Ethercat總線進行控制，控制系統可以輕松讀取伺服驅動器中的所有參數，更加方便進行各種控制操作。另外本發(fā)明采用一體式驅動的電機產品，節(jié)省了電機和驅動器之間的連線，節(jié)省成本，降低了干擾。另夕卜，遠程1采用總線方式進行擴展，也可以大大減少線纜的長度。
【主權項】
1.一種硬脆材料多線切方機用雙電機力矩同步控制系統，包括運動控制器，其特征在于，所述運動控制器通過總線控制多個伺服驅動器和電機;所述多個電機中包括兩個主軸電機，兩個主軸電機采用力矩模式進行同步控制;所述運動控制器包括力矩接收單元和主軸控制單元，所述力矩接收單元通過現場總線實時獲取力矩控制數據，所述主軸控制單元根據獲取的力矩控制數據實現對兩個主軸電機的控制。2.根據權利要求1所述的硬脆材料多線切方機用雙電機力矩同步控制系統，其特征在于，所述運動控制器包括兩個以太網口，其中一個以太網口通過Ethercat協議連接多個伺服驅動器和電機，另一個以太網口通過Modbus TCP協議連接人機界面。3.根據權利要求1所述的硬脆材料多線切方機用雙電機力矩同步控制系統，其特征在于，所述運動控制器還包括速度接收單元和速度控制單元，所述速度接收單元用于接收來自兩個主軸電機編碼器反饋的速度信號;所述速度控制單元根據收到的速度信號完成對兩個主軸電機的速度閉環(huán)控制，使得兩個主軸電機的線速度與切割線設定的線速度保持一致。4.根據權利要求3所述的硬脆材料多線切方機用雙電機力矩同步控制系統，其特征在于，所述主軸電機編碼器采用正余弦編碼器。5.根據權利要求1所述的硬脆材料多線切方機用雙電機力矩同步控制系統，其特征在于，所述多個電機中還包括張力電機、收卷電機和放卷電機，所述運動控制器還包括轉速接收單元、位置接收單元和收放卷控制單元，所述轉速接收單元用于接收主軸電機的轉速;所述位置接收單元用于接收張力電機編碼器的反饋信號;所述收放卷控制單元根據收到的主軸電機的轉速和張力電機編碼器的反饋信號完成對收卷電機和放卷電機的控制。6.根據權利要求1所述的硬脆材料多線切方機用雙電機力矩同步控制系統，其特征在于，所述多個電機中還包括收排電機和放排電機，所述運動控制器還包括排線速度接收單元、換向判斷單元、邊界判斷單元和收放排控制單元;所述排線速度接收單元用于接收收排電機和放排電機的線速度;所述換向判斷單元用于判斷接收到的線速度是否小于換向預設值;所述邊界判斷單元用于判斷接收到的線速度是否為邊界閾值;所述收放排控制單元在接收到的線速度小于換向預設值時控制收排電機和放排電機先加速再減速，在接收到的線速度為邊界閾值時控制收排電機和放排電機先加速再減速。7.根據權利要求1所述的硬脆材料多線切方機用雙電機力矩同步控制系統，其特征在于，所述伺服驅動器和電機采用一體式結構。8.根據權利要求1所述的硬脆材料多線切方機用雙電機力矩同步控制系統，其特征在于，所述運動控制器通過差分方式進行數據傳輸。9.根據權利要求1所述的硬脆材料多線切方機用雙電機力矩同步控制系統，其特征在于，所述伺服驅動器預留直流母線供電接口，且與整流逆變單元相連。10.根據權利要求1所述的硬脆材料多線切方機用雙電機力矩同步控制系統，其特征在于，所述運動控制器集成第三方工具和路由器功能，通過運動控制器能夠直接調試連接在運動控制器上的伺服驅動器的參數。
【文檔編號】H02P5/50GK105897068SQ201610212430
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月7日
【發(fā)明人】陳宗雨, 賀東升, 夏風, 周浙天, 楊合躍, 杜佳成
【申請人】武漢菲仕運動控制系統有限公司